Mikrokontroler.pl - portal dla elektroników

W artykule omówiono aspekty dotyczące implementacji sprzętowej czujnika AS3935 w systemie. Dodatkowo przedstawiono dostępne komercyjnie moduły z układem firmy Austria Microsystems, jak również zaprezentowano autorski projekt takiego modułu.

Układ AS3935 firmy Austria Microsystems to jednoukładowe rozwiązanie przeznaczone do wykrywania piorunów. Implementacja sprzętowa czujnika w systemie jest stosunkowo prosta. Do poprawnego działania układ wymaga dołączenia kilku elementów biernych, które pogrupować można w trzy bloki funkcjonalne: blok zasilania, obwód antenowy oraz interfejs komunikacyjny. Konfiguracja i odczyt danych z czujnika realizowane mogą być przez dowolny mikrokontroler. Schemat blokowy podstawowego systemu przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat blokowy podstawowego systemu z czujnikiem AS3935

Interfejs komunikacyjny

Komunikacja między czujnikiem AS3935 i mikrokontrolerem może odbywać się przez jeden z dwóch interfejsów: SPI oraz I2C. Wybór interfejsu czujnika realizowany jest przez ustalenie odpowiedniego poziomu napięcia na wyprowadzeniu SI. W przypadku, gdy poziom ten jest równy potencjałowi masy, aktywny jest interfejs SPI. Z kolei gdy poziom napięcia odpowiada potencjałowi napięcia zasilania, włączony jest interfejs I2C. Interfejs SPI składa się z dwóch jednokierunkowych linii danych (MISO, MOSI), linii sygnału zegarowego (SCL) oraz linii wyboru układu (CS). Interfejs I2C tworzą dwie linie: danych (I2CD) i sygnału zegarowego (I2CL). Ze względu na specyfikę tego interfejsu, linię sygnału zegarowego i opcjonalnie linię danych należy połączyć z napięciem zasilania przez rezystor 10 kOhm. Adres układu w topologii magistrali I2C konfiguruje się przez ustalenie określonych poziomów napięcia na wyprowadzeniach ADD1 oraz ADD2. Odpowiadają one dwóm najmniej znaczącym bitom adresu. Poziom równy potencjałowi masy na wybranym pinie oznacza wartość bitu 0, a poziom równy potencjałowi napięcia zasilania oznacza wartość bitu 1. Oprócz interfejsu komunikacyjnego, czujnik AS3935 i mikrokontroler muszą być również połączone linią przerwania.

UWAGA: Dla interfejsu I2C nie zaleca się używania adresu z dwoma najmniej znaczącymi bitami ustawionymi na wartości 0, 0. W takim ustawieniu mogą pojawić się problemy z odczytem rejestrów układu.

Rys. 2. Schemat obrazujący połączenie czujnika AS3935 z mikrokontrolerem: przez interfejs I2C (rysunek po lewej stronie) i SPI (rysunek po prawej stronie) [3]

Blok zasilania

Czujnik AS3935 wyposażony jest w zintegrowany regulator napięcia. W zależności od wymagań systemu w jakim pracuje układ firmy Austria Microsystems, regulator może być wyłączony lub włączony. W pierwszym przypadku dopuszczalny zakres napięcia zasilania wynosi od 2,4 do 3,6 V. W drugim przypadku zakres napięcia zasilania jest rozszerzony i wynosi od 2,4 do 5,5 V. Konfiguracja regulatora napięcia odbywa się przez ustalenie poziomu napięcia na wyprowadzeniu EN_VREG: poziom równy potencjałowi masy – regulator jest wyłączony, poziom równy napięciu zasilania – regulator jest włączony. W obu przypadkach napięcie zasilania musi być doprowadzone do dwóch pinów układu: VDD i VREG. Gdy regulator napięcia jest włączony, wymagane jest dołączenie do układu dwóch kondensatorów ceramicznych: pierwszego 1 μF między napięcie zasilania i wyprowadzenia VDD i VREG oraz drugiego 10 μF między wyprowadzenie ACG i masę. Gdy regulator napięcie jest włączony, potrzebny jest dodatkowy kondensator ceramiczny 1 μF między wyprowadzeniem VREG i masą.

Rys. 3. Schemat obrazujący sposób zasilania czujnika AS3935: z wyłączonym regulatorem napięcia (rysunek po lewej stronie) i włączonym regulatorem napięcia (rysunek po prawej stronie) [3]

Obwód antenowy

Czujnik AS3935 połączony jest z anteną przez wyprowadzenia INP i INN. Antenę tworzy obwód RLC, którego optymalna częstotliwość rezonansowa powinna wynosić 500 kHz (dopuszczalny zakres to 485–515 kHz). Zależność między częstotliwością rezonansu oraz wartościami L i C określa poniższy wzór:

Sugerowana przez producenta wartość elementu L to 100 μH. Wartość C można zatem wyznaczyć przekształcając wzór:

Obliczona na podstawie wzoru wartość C to 1.013 nF. Jako że każdy element bierny ma swoją tolerancję, zapewnienie dokładnie takiej pojemności nie jest proste, gdyż może okazać się, że zastosowany kondensator lub kondensatory mają nieco mniejszą lub większą wartość od tej deklarowanej przez producenta. Aby ułatwić proces dostrojenia anteny, w układzie AS3935 zintegrowano kondensator o konfigurowalnej pojemności (od 0 do 120 pF z krokiem 8 pF). Firma Austria Microsystems sugeruje, aby w obwodzie antenowym stosować kondensator o wartości wyliczonej, ale też pomniejszonej o połowę maksymalnej wartości zintegrowanego, konfigurowalnego kondensatora, zatem 1,013 nF – 60 pF = 953 pF. Dzięki takiemu podejściu zyskuje się pewność, że wartość pojemności nie zostanie przekroczona na skutek wpływu tolerancji. Jednocześnie poprzez wbudowany kondensator można w prosty sposób dodać brakującą pojemność, aby uzyskać pożądaną wartość 1,013 nF.

Proponowane przez producenta czujnika AS3935 komponenty będące elementem L anteny to: MA5532-AE firmy Coilcraft, TR1103 firmy Premo lub CAS11D28-101 firmy Sumida. Jako wartość elementu R anteny należy przyjąć 10 kOhm.

Rys. 4. Schemat obwodu antenowego dla czujnika AS3935 [3]

Firma Austria Microsystems udostępnia listę zaleceń, których warto się trzymać projektując layout anteny. Najważniejsze z nich to:

• Na spodniej stronie PCB pod anteną nie powinien znajdować się poligon masy.
• Ścieżki anteny powinny być możliwie krótkie.
• Należy upewnić się, że interfejs SPI nie pracuje z częstotliwością zbliżoną do częstotliwości anteny (500 kHz).

Więcej informacji dotyczących projektowania anteny czujnika AS3935 można znaleźć w [4].